Modulare Designmethodik für den effizienten Entwurf von 3D Molded Interconnect Devices (MID)
Im Rahmen der fortschreitenden Digitalisierung werden immer leistungsfähigere, kleinere elektronische Geräte benötigt. Diese Geräte sollen meist drahtlos kommunizieren und erfordern eine hohe Integrationsdichte.
Mit bestehenden Leiterplattentechnologien wie HDI (High Density Interconnect), Starrflex oder Semiflex können diese Systeme heute erfolgreich realisiert werden. Insbesondere ist auch die Semiflex-Technologie für den Aufbau von geometrisch angepassten Leiterplatten geeignet. Im Kontext des industriellen IoT (Internet of Things), welche zunehmend individualisierte oder maßgeschneiderte Lösungen verlangt, sind diese auf Stückzahlen optimierten Technologien nur noch ansatzweise geeignet, den diese Technologien erfordern einen hohen Entwicklungsaufwand sowie eine komplexe und teure Fertigungstechnologie. Dadurch sind diese Fertigungs- und Entwicklungsverfahren insbesondere für hohe Stückzahlen wirtschaftlich interessant, um die hohen Fixkosten für die Entwicklung und die Anpassung der Fertigungsprozesse auf viele Teile umzulegen. Besonders im Umfeld des sog. „Industrial Internet of Things“ (IIoT) verlangen viele Anwendungen nach formangepasste Individuallösungen in kleinen Stückzahlen, z. B. bei der Nachrüstung von bestehenden Maschinen. In diesem Bereich bietet die MID-Technologie viel Potenzial, um formangepasste elektronische Geräte mit hoher Integrationsdichte zu realisieren. Bei der klassischen MID-Spritzgießtechnik sind nach wie vor die Konstruktion, die Herstellung und das Rüsten der Werkzeuge die primären Kostentreiber. Letztere lassen sich durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren vermeiden, wie bspw. MID-Filament für Fused Deposition Modelling, Stereolithographie-Druck und Beschichtung der additiv gefertigten Teile mit LDS-Lack oder mittels des neuartigen MID-Harzes. Im Hinblick auf das komplexe Design von MID-Bauteilen sind jedoch neue Ansätze gefragt, um diese Technologie einem breiteren anwenderkreis zugänglich zu machen. Bislang wird jedes Bauteil einzeln entwickelt und ist somit ein Unikat. Der komplexe 3D-Konstruktionsprozess ist jedoch ein großes Hindernis bei der effizienten und kostengünstigen Entwicklung von MID-Produkten in kleinen Losgrößen. Der Ansatz einer modularen Entwurfsmethodik für eine effiziente Entwicklung von 3D-MID-Komponenten vereinfacht und standardisiert diesen komplexen Prozess. Der Kern der Methode basiert auf der Analyse zahlreicher elektronischer Geräte für eine bestimmte Anwendung, z. B. Funksensoren. Ziel ist es dabei, die gemeinsamen Funktionen zu identifizieren und in entsprechende Funktionsmodule zu überführen. Funktionsmodule sind eigenständige Funktionseinheiten, die elektrische Funktionalitäten abbilden, z. B. eine Eingangsstufe, die wiederum aus weiteren diskreten Komponenten bestehen kann. Ziel ist es, mit den Funktionsmodulen möglichst viele Schaltungsvarianten im Sinne von Funktionsblöcken abzubilden, die zu unterschiedlichen Schaltungstopologien kombiniert werden können. Eine große Herausforderung ist die Identifikation dieser elektrischen Grundfunktionen. Einerseits sollten diese Funktionen nicht zu spezifisch sein, da es sonst zu viele Varianten gibt. Andererseits dürfen diese Funktionen nicht zu allgemein sein, da sonst die daraus resultierenden Funktionsbausteine zu komplex und kaum wiederverwendbar wären. Auch die unterschiedlichen Topologien der Funktionsblöcke müssen berücksichtigt werden. Eine weitere Herausforderung ist es, die elektrischen und mechanischen Schnittstellen so zu spezifizieren, dass die Funktionsbausteine in unterschiedlichsten Topologien miteinander verbunden werden können. Basisfunktionen bilden die Grundlage für eine Entwicklungsmethodik, die den Entwurfsprozess von räumlichen Schaltungsträgern mit Hilfe von Funktionsmodulen unterstützt. Dieser Ansatz beschreibt die Segmentierung und Identifikation dieser Basisfunktionen, die räumliche Übertragung dieser Module, die numerische Validierung und Optimierung dieser Module und gibt einen Ausblick auf die Entwicklungsmethodik. Die Entwurfsmethodik unterstützt und verkürzt den Entwicklungsprozess von räumlichen Schaltungsträgern erheblich und erhöht gleichzeitig die Funktionssicherheit des Entwurfs durch die validierten Funktionsmodule.
